工程热力学基本概念
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铜棒为系统：铜棒稳定， 但存在不平衡势差－温差， 去掉外界影响，则状态变化
若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？ （孤立系统，最终平衡达到相同温度）
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
平衡与均匀
平衡：时间上 均匀：空间上
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
§1-4 状态方程、坐标 平衡状态可用一组状态参数描述，描述系统状态特性的参数有很多，当某些参数确定后，平衡 状态系统便完全确定，所有其他状态参数也随之确定。
比参数 无可加性。
1 温度： 宏观上，是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量。 微观上,是大量分子热运动强烈程度的量度
温度的概念起源于人们对冷热的感觉。但感觉不准确。同温的棉、金属感觉不同，这就要需 用量表示温度。 而温度的测量是以热力学第零定律为基础的。
mw2 BT 2
m是一个分子的质量，W2是分子平移运动的均方根速度； B—比例常数；T—气体的热力学温度。
环境压力与大气压力 环境压力指压力表所处环境 注意：环境压力一般为大气压，但不一定。
大气压随时间、地点变化。
2. 压力(pressure)
绝对压力 p(absolute pressure) 表压力 pe（pg）(gauge pressure;
manometer pressure) 真空度 pv(vacuum; vacuum pressure)
闭口系统
开口系统
孤立系统
其它分类方式
热力系统其它分类方式 物理化学性质
均匀系
ຫໍສະໝຸດ Baidu
非均匀系
工质种类
相态
单相 多相
单元系 多元系
• 移动和虚构边界
注意：
1）系统与外界的人为性 2）外界与环境介质 3）边界可以是：
a）刚性的或可变形的或有弹性的 b）固定的或可移动的 c）实际的或虚拟的
三、热力系分类
m3/kg kg/m3
§1-4 平衡状态 1、定义：
只有在平衡状态下才有可能用状态参数系统状态特性. 平衡状态：系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，系统内外同时建立 了热的和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。 即在不受外界影响的条件下（重力场除外），系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。 （热平衡 + 力平衡 + 化学平衡）
一、定义
1-2热力系统
• 系统(thermodynamic system, system) 人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。
• 外界(surrounding )： 与系统发生质、能交换的物体统称。
• 边界(boundary)：
系统与外界的分界面（线），可以 实际存在，也可以是假想的。
容积变化功
压缩功膨胀功
热力系统分类
热力系统选择原则 系统的选取方法仅影响解决问题的繁复程度，与研究问题的结果无关。 思考题： 孤立系统一定是闭口系统吗。反之怎样。 孤立系统是否一定绝热。
m 1
1 开口系
2
1+2 闭口系
Q W
1+2+3 绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系
4
3
非孤立系＋相关外界 ＝孤立系
• 理论温标（热力学温标）T表示，单位K
• 实用温标（摄氏温标） t表示， 单位℃
• 工程上两种温标换算(绝对零度为-273 ℃）
•
T＝273＋t
• 两种温标的基准点不同，但温度间隔同（分度值同）对于同一工质，用K表示的温差也可用℃表
示：ΔT＝Δt
t T 273.15
C
K
附： 华氏温标和朗肯温标
四、热力系示例 1．刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝 红线内 ——闭口绝热系
黄线内不包含电热丝 ——闭口系
黄线内包含电热丝 ——闭口绝热系
蓝线内 ——孤立系
2．刚性绝热喷管
取红线为系统— 取喷管为系统—
闭口系 开口系绝热系?
3. A、B两部落“鸡、犬之声相闻，民至老死不相往来”
A部落为系统
注意：只有绝对压力 p 才是状态参数
压力真空表 -0.1~0.9Mpa
精密压力表（真空表） -0.1~0Mpa
精密压力表 0~4pa
压力p测量 注意：只有绝对压力 p 才是状态参数
U形压力计测压
当p > B 出口
当p < B 进口
绝对压力P与相对(表）压力Pg 表压力 pg
P与pg参照点不同 P= B+Pg
1 atm = 760 mmHg = 1.01325105 Pa
1 mmHg =133.3 22Pa
1 at= 9.80665104 Pa
压力p测量 相对压力：
相对于大气环境所测得的压力。 如工程上常用测压仪表测定系统中工质的压力 即为相对压力。 绝对压力：用定义计算的压力 相对压力是工质绝对压力与环境压力的相对值
当地大气压pb(local atmospheric pressure)
p pb pe ( p pb ) p pb pv ( p pb )
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
六、比体积和密度 比体积(specific volume)
vV m
密度(density)
两者关系:
m
V
v
1
单位质量工质的体积 单位体积工质的质量
2.开口系统：系统内外有物质交换, 也称控制体积。
（V 一定 研究一定空间范围的物质）
2. 按系统与外界质量交换
闭口系（closed system） （控制质量CM）
—没有质量越过边界
开口系（open system） （控制体积CV）
—通过边界与外界有质量交换
1-2热力系统 • 汽缸-活塞装置（闭口系例）
定义：从燃料燃烧中得到热能以及利用热能得到动力的整套设备(包括辅助设备)。
燃气动力装置(combustion gas power plant)
内燃机(internal combustion gas engine)
燃气轮机装置(gas turbine power plant)
喷气发动机(jet engine)
状态参数的特征：
1、状态参数是状态的函数，对应一定的状态，状态参数都有唯一确定的数值，状态确定，则状态 参数也确定，反之亦然。 一一对应（状态参数是状态单值函数）
2、状态参数的积分特征：
工质在热力过程中发生状态变化时，由初状态经过不同路径，最后到达终点，其参数的变化值，仅与 初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势 化学反应 — 化学不平衡势 X
为什么引入平衡概念？ 只有系统平衡，才可用一组确切的参数（压力、温度）描述．
平衡状态是定态，没有能量交换
原平衡态
有势差△T 、△ p 与外界能量交换
状态变化
新平衡态
消除不平衡势差 与外界能量交换
破坏原平衡
讨论：平衡与稳定 稳定：参数不随时间变化
状态：某一瞬间热力系中所呈现的工质热力性 质的总状况（宏观状况）
状态参数：描述工质状态特性的各种物理量称 为工质的状态参数。如温度（T）、压力（P）、 比容 （υ）或密度（ρ）、内能（u）、焓（h）、熵（s）、
基本状态参数：可直接或间接地用仪表测量出来的状态参数。 如：温度T、压力P、比容υ或密度ρ
1-2热力系统 二、系统及边界示例
• 汽车发动机
边界特性 固定、活动
真实、虚构
热力系统选取的人为性
过热器 锅 炉
水泵
汽轮机
功 发电机
凝 汽 器
只交换功 既交换功 也交换热
只交换热
二、闭口系统和开口系统 (按系统与外界有无物质交换)
1.闭口系统：系统内外无物质交换, 也称控制质量。
（M一定 研究一定质量的物质）
热力学第零定律 如果两个系统(物体）分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。 热平衡：两系统无温差T1=T2，无传热。
温度测量的理论基础 B 相当 温度计（标定过，带数字标尺）
• 据上述理论，人们就可选择一个参考系统——温度计，当被测系统与温度计达到热平衡时，温度 计指示的温度就等于被测系统的温度。温度的数值标尺，简称温标。目前法定计算温度的温标有 两种：
第一章 基本概念 Basic Concepts and Definition
主要内容
1-1 热能和机械能相互转换过程 1-2 热力系统 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-4 平衡状态 1-5 工质的状态变化过程 1-6 功和热量 1-7 热力循环
1-1 热能和机械能相互转换的过程 一、热能动力装置(Thermal power plant)
华氏温标和摄氏温标
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数 {T} R={t} ℉ +459.67
{t} ℃=5/9[{t} ℉-32] {t} ℉ =9/5{t} ℃ +32
2、压力 p 垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力， 也称压强。 单位: Pa , N/m2
常用单位：
p F f
1 MPa = 106 Pa（标准的）
真空度 H
P= B-H
图1-6 各压力间的关系
• 例: 表压力或真空度为什么不能当作工质的压力？工质的压力不变化，测量它的压力表或真空表 的读数是否会变化？
• 解：作为工质状态参数的压力是绝对压力，测得的表压力或真空度都是工质的绝对压力与大气压 力的相对值，因此不能作为工质的压力；
• 因为测得的是工质绝对压力与大气压力的相对值，即使工质的压力不变，当大气压力改变时也会 引起压力表或真空表读数的变化。
想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？
状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1
分
……
类
蒸汽动力装置 (steam power plant)
共同本质：由媒介物通过吸热—膨胀作功—排热
1-1 热能和机械能相互转换的过程 二、工质(working substance; working medium)
定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。 对工质的要求:
1）膨胀性 2）流动性 3）热容量 4）稳定性，安全性 5）对环境友善 6）价廉，易大量获取
—闭口系 A
A+B部落为系统—孤立系
B
• ∵能量的转化（移）是§通1-过3工物质质的状热态力的学改状变态来和实基现本的状∴态要参研数究物质的热力性质。这里先提出 工质的概念
• 工质定义：参与能量转换的物质。用来实现能量转化的工作媒介物质。
• 工质可以理解为能量的载体。例：水，水蒸气，空气、液氨等，工程上一般采用气态物质作 为工质。∵体积变化灵活，对外膨胀做工，流动性好。
3. 按能量交换 绝热系（adiabatic system）— 与外界无热量交换; 孤立系（isolated system）— 与外界无任何形式的质能交换。
注意：
1）闭口系与系统内质量不变的区别； 2）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。
4. 简单可压缩系（simple compressible system）（单相、单元、均匀） —由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交 换容积变化功的有限物质系统。
s S m
比熵
广延性参数：系统的V. u. H. S等
•
特点：与强度性参数相反。
•
整个系统参数=∑各单位参数。
•
参数与m有关、有可加性
• 在热力学过程中，广延性参数的变化起着类似力学中的位移作用，称广义位移。
•
例：ΔQ→ΔS，ΔP→ΔV
比参数=广延性参数/总质量。
v. u. H. S.等
除比容v外常将“比”省略，称内能，焓，熵等。
物质三态中 气态最适宜。
1-1 热能和机械能相互转换的过程
三、热源(heat source; heat reservoir) 定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。
• 高温热源 — 热源 ( heat source) 低温热源 — 冷源(heat sink) • 恒温热源(constant heat reservoir) 变温热源
1. 按组元和相
按组元数: 单元系(one component system; pure substance system) 多元系(multicomponent system)
按相数: 单相系(homogeneous system) 复相系(heterogeneous system)
注意：1）不计恒外力场影响； 2）复相系未必不均匀—湿蒸汽； 单元系也未必均匀—气液平衡分离状态。
3、状态参数的微分特征：全微分，环积分＝０
2
dx x2 x1
1
dx 0
强度参数与广延参数
强度参数：与物质的量无关的参数 如压力 p、温度T
广延参数：与物质的量有关的参数可加性 如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S
比参数：
vV m
比容
uU m
比内能
h H m
比焓
单位：/kg /kmol 具有强度量的性质
若以（热源+铜棒+冷源）为系统，又如何？ （孤立系统，最终平衡达到相同温度）
稳定不一定平衡，但平衡一定稳定
平衡与均匀
平衡：时间上 均匀：空间上
平衡不一定均匀，单相平衡态则一定是均匀的
§1-4 状态方程、坐标 平衡状态可用一组状态参数描述，描述系统状态特性的参数有很多，当某些参数确定后，平衡 状态系统便完全确定，所有其他状态参数也随之确定。
比参数 无可加性。
1 温度： 宏观上，是描述系统热力平衡状况时冷热程度的物理量。 微观上,是大量分子热运动强烈程度的量度
温度的概念起源于人们对冷热的感觉。但感觉不准确。同温的棉、金属感觉不同，这就要需 用量表示温度。 而温度的测量是以热力学第零定律为基础的。
mw2 BT 2
m是一个分子的质量，W2是分子平移运动的均方根速度； B—比例常数；T—气体的热力学温度。
环境压力与大气压力 环境压力指压力表所处环境 注意：环境压力一般为大气压，但不一定。
大气压随时间、地点变化。
2. 压力(pressure)
绝对压力 p(absolute pressure) 表压力 pe（pg）(gauge pressure;
manometer pressure) 真空度 pv(vacuum; vacuum pressure)
闭口系统
开口系统
孤立系统
其它分类方式
热力系统其它分类方式 物理化学性质
均匀系
ຫໍສະໝຸດ Baidu
非均匀系
工质种类
相态
单相 多相
单元系 多元系
• 移动和虚构边界
注意：
1）系统与外界的人为性 2）外界与环境介质 3）边界可以是：
a）刚性的或可变形的或有弹性的 b）固定的或可移动的 c）实际的或虚拟的
三、热力系分类
m3/kg kg/m3
§1-4 平衡状态 1、定义：
只有在平衡状态下才有可能用状态参数系统状态特性. 平衡状态：系统在不受外界影响的条件下，如果宏观热力性质不随时间而变化，系统内外同时建立 了热的和力的平衡，这时系统的状态称为热力平衡状态，简称为平衡状态。 即在不受外界影响的条件下（重力场除外），系统的状态参数不随时间变化，则该系统处于平衡状态。 （热平衡 + 力平衡 + 化学平衡）
一、定义
1-2热力系统
• 系统(thermodynamic system, system) 人为分割出来，作为热力学研究对象的有限物质系统。
• 外界(surrounding )： 与系统发生质、能交换的物体统称。
• 边界(boundary)：
系统与外界的分界面（线），可以 实际存在，也可以是假想的。
容积变化功
压缩功膨胀功
热力系统分类
热力系统选择原则 系统的选取方法仅影响解决问题的繁复程度，与研究问题的结果无关。 思考题： 孤立系统一定是闭口系统吗。反之怎样。 孤立系统是否一定绝热。
m 1
1 开口系
2
1+2 闭口系
Q W
1+2+3 绝热闭口系 1+2+3+4 孤立系
4
3
非孤立系＋相关外界 ＝孤立系
• 理论温标（热力学温标）T表示，单位K
• 实用温标（摄氏温标） t表示， 单位℃
• 工程上两种温标换算(绝对零度为-273 ℃）
•
T＝273＋t
• 两种温标的基准点不同，但温度间隔同（分度值同）对于同一工质，用K表示的温差也可用℃表
示：ΔT＝Δt
t T 273.15
C
K
附： 华氏温标和朗肯温标
四、热力系示例 1．刚性绝热气缸-活塞系统，B侧设有电热丝 红线内 ——闭口绝热系
黄线内不包含电热丝 ——闭口系
黄线内包含电热丝 ——闭口绝热系
蓝线内 ——孤立系
2．刚性绝热喷管
取红线为系统— 取喷管为系统—
闭口系 开口系绝热系?
3. A、B两部落“鸡、犬之声相闻，民至老死不相往来”
A部落为系统
注意：只有绝对压力 p 才是状态参数
压力真空表 -0.1~0.9Mpa
精密压力表（真空表） -0.1~0Mpa
精密压力表 0~4pa
压力p测量 注意：只有绝对压力 p 才是状态参数
U形压力计测压
当p > B 出口
当p < B 进口
绝对压力P与相对(表）压力Pg 表压力 pg
P与pg参照点不同 P= B+Pg
1 atm = 760 mmHg = 1.01325105 Pa
1 mmHg =133.3 22Pa
1 at= 9.80665104 Pa
压力p测量 相对压力：
相对于大气环境所测得的压力。 如工程上常用测压仪表测定系统中工质的压力 即为相对压力。 绝对压力：用定义计算的压力 相对压力是工质绝对压力与环境压力的相对值
当地大气压pb(local atmospheric pressure)
p pb pe ( p pb ) p pb pv ( p pb )
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数
六、比体积和密度 比体积(specific volume)
vV m
密度(density)
两者关系:
m
V
v
1
单位质量工质的体积 单位体积工质的质量
2.开口系统：系统内外有物质交换, 也称控制体积。
（V 一定 研究一定空间范围的物质）
2. 按系统与外界质量交换
闭口系（closed system） （控制质量CM）
—没有质量越过边界
开口系（open system） （控制体积CV）
—通过边界与外界有质量交换
1-2热力系统 • 汽缸-活塞装置（闭口系例）
定义：从燃料燃烧中得到热能以及利用热能得到动力的整套设备(包括辅助设备)。
燃气动力装置(combustion gas power plant)
内燃机(internal combustion gas engine)
燃气轮机装置(gas turbine power plant)
喷气发动机(jet engine)
状态参数的特征：
1、状态参数是状态的函数，对应一定的状态，状态参数都有唯一确定的数值，状态确定，则状态 参数也确定，反之亦然。 一一对应（状态参数是状态单值函数）
2、状态参数的积分特征：
工质在热力过程中发生状态变化时，由初状态经过不同路径，最后到达终点，其参数的变化值，仅与 初、终状态有关，而与状态变化的途径无关。
温差 — 热不平衡势 压差 — 力不平衡势 化学反应 — 化学不平衡势 X
为什么引入平衡概念？ 只有系统平衡，才可用一组确切的参数（压力、温度）描述．
平衡状态是定态，没有能量交换
原平衡态
有势差△T 、△ p 与外界能量交换
状态变化
新平衡态
消除不平衡势差 与外界能量交换
破坏原平衡
讨论：平衡与稳定 稳定：参数不随时间变化
状态：某一瞬间热力系中所呈现的工质热力性 质的总状况（宏观状况）
状态参数：描述工质状态特性的各种物理量称 为工质的状态参数。如温度（T）、压力（P）、 比容 （υ）或密度（ρ）、内能（u）、焓（h）、熵（s）、
基本状态参数：可直接或间接地用仪表测量出来的状态参数。 如：温度T、压力P、比容υ或密度ρ
1-2热力系统 二、系统及边界示例
• 汽车发动机
边界特性 固定、活动
真实、虚构
热力系统选取的人为性
过热器 锅 炉
水泵
汽轮机
功 发电机
凝 汽 器
只交换功 既交换功 也交换热
只交换热
二、闭口系统和开口系统 (按系统与外界有无物质交换)
1.闭口系统：系统内外无物质交换, 也称控制质量。
（M一定 研究一定质量的物质）
热力学第零定律 如果两个系统(物体）分别与第三个系统处于热平衡，则两个系统彼此必然处于热平衡。 热平衡：两系统无温差T1=T2，无传热。
温度测量的理论基础 B 相当 温度计（标定过，带数字标尺）
• 据上述理论，人们就可选择一个参考系统——温度计，当被测系统与温度计达到热平衡时，温度 计指示的温度就等于被测系统的温度。温度的数值标尺，简称温标。目前法定计算温度的温标有 两种：
第一章 基本概念 Basic Concepts and Definition
主要内容
1-1 热能和机械能相互转换过程 1-2 热力系统 1-3 工质的热力学状态及其基本状态参数 1-4 平衡状态 1-5 工质的状态变化过程 1-6 功和热量 1-7 热力循环
1-1 热能和机械能相互转换的过程 一、热能动力装置(Thermal power plant)
华氏温标和摄氏温标
1-3 工质的热力学状态和基本状态参数 {T} R={t} ℉ +459.67
{t} ℃=5/9[{t} ℉-32] {t} ℉ =9/5{t} ℃ +32
2、压力 p 垂直作用于器壁单位面积上的力，称为压力， 也称压强。 单位: Pa , N/m2
常用单位：
p F f
1 MPa = 106 Pa（标准的）
真空度 H
P= B-H
图1-6 各压力间的关系
• 例: 表压力或真空度为什么不能当作工质的压力？工质的压力不变化，测量它的压力表或真空表 的读数是否会变化？
• 解：作为工质状态参数的压力是绝对压力，测得的表压力或真空度都是工质的绝对压力与大气压 力的相对值，因此不能作为工质的压力；
• 因为测得的是工质绝对压力与大气压力的相对值，即使工质的压力不变，当大气压力改变时也会 引起压力表或真空表读数的变化。
想确切描述某个热力系，是否需要所有状态参数？
状态公理：对组元一定的闭口系，独立状态参数个数 N=n+1
分
……
类
蒸汽动力装置 (steam power plant)
共同本质：由媒介物通过吸热—膨胀作功—排热
1-1 热能和机械能相互转换的过程 二、工质(working substance; working medium)
定义：实现热能和机械能相互转化的媒介物质。 对工质的要求:
1）膨胀性 2）流动性 3）热容量 4）稳定性，安全性 5）对环境友善 6）价廉，易大量获取
—闭口系 A
A+B部落为系统—孤立系
B
• ∵能量的转化（移）是§通1-过3工物质质的状热态力的学改状变态来和实基现本的状∴态要参研数究物质的热力性质。这里先提出 工质的概念
• 工质定义：参与能量转换的物质。用来实现能量转化的工作媒介物质。
• 工质可以理解为能量的载体。例：水，水蒸气，空气、液氨等，工程上一般采用气态物质作 为工质。∵体积变化灵活，对外膨胀做工，流动性好。
3. 按能量交换 绝热系（adiabatic system）— 与外界无热量交换; 孤立系（isolated system）— 与外界无任何形式的质能交换。
注意：
1）闭口系与系统内质量不变的区别； 2）开口系与绝热系的关系； 3）孤立系与绝热系的关系。
4. 简单可压缩系（simple compressible system）（单相、单元、均匀） —由可压缩物质组成，无化学反应、与外界有交 换容积变化功的有限物质系统。
s S m
比熵
广延性参数：系统的V. u. H. S等
•
特点：与强度性参数相反。
•
整个系统参数=∑各单位参数。
•
参数与m有关、有可加性
• 在热力学过程中，广延性参数的变化起着类似力学中的位移作用，称广义位移。
•
例：ΔQ→ΔS，ΔP→ΔV
比参数=广延性参数/总质量。
v. u. H. S.等
除比容v外常将“比”省略，称内能，焓，熵等。
物质三态中 气态最适宜。
1-1 热能和机械能相互转换的过程
三、热源(heat source; heat reservoir) 定义：工质从中吸取或向之排出热能的物质系统。
• 高温热源 — 热源 ( heat source) 低温热源 — 冷源(heat sink) • 恒温热源(constant heat reservoir) 变温热源
1. 按组元和相
按组元数: 单元系(one component system; pure substance system) 多元系(multicomponent system)
按相数: 单相系(homogeneous system) 复相系(heterogeneous system)
注意：1）不计恒外力场影响； 2）复相系未必不均匀—湿蒸汽； 单元系也未必均匀—气液平衡分离状态。
3、状态参数的微分特征：全微分，环积分＝０
2
dx x2 x1
1
dx 0
强度参数与广延参数
强度参数：与物质的量无关的参数 如压力 p、温度T
广延参数：与物质的量有关的参数可加性 如 质量m、容积 V、内能 U、焓 H、熵S
比参数：
vV m
比容
uU m
比内能
h H m
比焓
单位：/kg /kmol 具有强度量的性质